1978年加拿大握太华通信研究中心的K.O.Hin及其同事首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏性,并采用驻波法制成世界上第一只光纤光栅。但是由于这种刻写方法的效率很低且灵活性差,在光纤光敏性被发现后的十年内未引起很大的注意。直到1989年,美国联合技术研究中心的GMetlz等人利用高强度的紫外激光所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光来产生光纤纤芯中的折射率调制,即形成光纤光栅。这种刻写方法效率高,且灵活性好,可以刻写不同周期的光纤光栅。横向写入法的发明使光纤光栅技术取得了突破性的进展,此后的十多年里,光纤光栅一直是光纤通信和光纤传感领域的研究热点之一。

布拉格光纤光栅可以作为一种光纤传感器,它和光纤传感器一样,与传统的电传感器相比有着许多不可替代的优点,如:不受电磁干扰,重量轻,体积小,不受腐蚀等。且由于它是波长编码的,使得它与传统的光纤传感器相比,又有许多优点,如:精度不受光源强度影响,受环境影响小,更加容易复用和实现分布式传感等。利用光纤布拉格光栅传感系统复用能力强,重量轻,体积小等优点,埋入监测材料中可以方便地实现准分布式测量,因而是最有希望的智能传感网络技术。

光纤光栅传感器的应用范围非常广,民用工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用的一个热点,在桥梁、建筑、海洋石油平台、油田及航空、大坝等工程都可以进行实时安全的温度及应变监测。基础结构的状态,力学参数的测量对于桥梁、大坝、隧道、高层建筑和运动场馆的维护是至关重要的,通过测量建筑物的分布应变,可以预知局部荷载的状态。光纤光栅传感器既可以贴在现存结构的表面,也可以在浇筑的时候埋入结构中对结构进行实时测量,监视结构缺陷的形成和生长。另外,多个光纤光栅传感器可以串接成一个网络对结构进行准分布式检测,传感信号可以传输很长距离送到中心监控室进行遥测。因此在民用工程中,光纤光栅传感器成为结构监测的最重要手段。

航空航天业是一个使用传感器密集的地方,一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等,所需要使用的传感器超过100个,因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤光栅传感器具有体积小,重量轻,灵敏度高等优点,将光纤光栅埋入飞行器或者发射塔结构中,组成准分布式智能传感网络,可以对飞行器及发射塔的内部机械性能及外部环境进行实时监测。

布拉格光纤光栅传感器能够为现代船舶的操作提供瞬时的和丰富的传感信息,进而通过提供船舶操作人员所需要的早期危险报警和损伤评估来保证船舶的安全。现代船用传感器中多达90%是压力或温度传感器,通过选择适当的封装和衬底材料可以将光纤光栅应变传感器转变成温度和压力传感器,利用波分和时分复用原理,一个探测系统的光纤光栅传感器数量可以多达数万个,从而适应不断增加的舰载控制系统的复杂性,并有效的降低传感系统的成本。

电力工业中的设备大都处在强电磁场中,一般电学传感器无法使用。很多情况下需要测量的地方处在高压中,如高压开关的在线监测,高压变压器绕组、发电机定子等地方的温度和位移等参数的实时测量,这些地方的测量需要传感器具有很好的绝缘性能、体积要小、而且是无源器件,光纤光栅传感器是进行这些测量的最佳选择。有一些电力设备经常位于难以到达的地方,如荒山野岭、沙漠荒原中的传输电缆和中继变电站,使用准分布式光纤光栅传感系统的遥测能力可以极大地减少设备维护费用。因此光纤光栅传感器在电力工业中的应用前景很好。

小尺寸的传感器在医学应用中是非常有意义的,光纤光栅传感器是现今能够做到最小的光纤传感器。光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量,提供有关温度、压力和声波场的精确局部信息。光纤光栅传感器对人体组织的损害非常之小,足以避免对正常医疗过程的干扰。

核工业存在高辐射,核泄漏对人类是一个极大的威胁,因此对于核电站的安全检测是非常重要的。由于核装置的老化,需要更多的维护和修理,最终必须被拆除,所有这些都不能在设计时预见,因此需要更多的传感器以便遥控设备,处理不确定情况。同时核废料的管理也变得越来越重要,需要有监测网络来监视核废料站的状况,对监视网络长期稳定的要求也是前所未有的,而光纤光栅传感网络可以满足这些要求。

除了以上应用外,光纤光栅传感器在其他方面也有许多应用,例如:

(1)加速度计可用于很多工程的测量,如振动、入射角、事件记录、平台稳定性、车辆暂停控制、地震监测、以及起搏器控制等,用光纤光栅传感器制作的加速度计表现出良好的性能。

(2)用光纤光栅制作的水声器用来测量水下声场,可以实现很好线性响应、高灵敏度、高稳定性、宽的动态范围(90dB)和宽的操作频率范围(从凡kHz到凡MH)z。

(3)用光纤光栅制作的机械工具系统结构形变监测传感器,可以探测到实用结构微米量级的形变,其误差为0.4%。